Assessment of power enhancement in counter-rotating vertical-axis wind turbine pairs using CFD in 2D and 3D

Produksjon av vindkraft har sett en betydelig økning, hovedsaklig ved bruk av horisontale vindturbiner. Disse behøver imidlertid en stor avstand mellom hver turbin grunnet den sterkt reduserte vindhastigheten i turbinens vake. Eksperimenter har vist at denne vaken kan utnyttes av vertikale vindturbiner i par, gitt spesifikke relative plasseringer. På denne måten vil to vertikale vindturbiner plassert tett kunne produsere mer kraft enn to enkeltstående turbiner med større avstand. Dette gir et potensiale for å hente mer vindkraft ut av et mindre areal enn ved bruk av horisontale vindturbiner, både på land og som havvind. Hensikten med denne oppgaven var å undersøke kraftproduksjonen i ulike konfigurasjoner, og identifisere optimale plasseringer. En vertikal vindturbin med rette turbinblader av profilen DU 06-W-200 ble konstruert med bruk av DAK, og forskjellige konfigurasjoner ble simulert med to- og tredimensjonal CFD. Vinden ble modellert som turbulent, separert fluidflyt, og fluidflyten ble beregnet ved å anvende URANS med en k-ω SST turbulensmodell. Simuleringene ble gjennomført ved bruk av programvaren Simcenter Star-CCM+. 25 unike konfigurasjoner ble undersøkt ved bruk av 2D CFD, hvorav 4 unike konfigurasjoner ble utvidet til 3D CFD basert på resultatene fra 2D CFD. Simuleringene benyttet omlag 150 000 CPU-timer. Hvordan rotasjonsretningen, faseforskjell mellom turbinene og den relative plasseringen påvirker kraftproduksjonen av et turbinpar ble undersøkt ved bruk av 2D CFD. Nærmest alle konfigurasjonene viste en økning i kraftproduksjon sammenlignet med to enkeltstående vertikale vindturbiner når 2D CFD ble benyttet. Økningen i kraftproduksjonen ble funnet til å være over 15% når 2D CFD ble brukt, hvor en avstand mellom turbinene på 1,25 turbindiametere ble funnet til å gi den største forbedringen. Undersøkelsene konkluderte også med at rotasjonsretningen og faseforskjellen har minimal betydning på kraftproduksjonen. En økning i kraftproduksjonen sammenlignet med to enkelstående vertikale vindturbiner ble også funnet ved bruk av 3D CFD, hvor den største økningen ble beregnet til under 4%. Den optimale turbinavstanden ble derimot funnet til å være 2 turbindiametere ved å benytte 3D CFD. Resultatene fra 3D CFD ble også funnet til å samsvare godt med eksperimentelle verdier i litteraturen.Harvested wind energy has rapidly increased worldwide, mainly through the use of horizontal-axis wind turbines (HAWT). HAWTs, however, require large spacing between each turbine due to the significant velocity deficit in their wake. Experiments have shown that pairs of vertical-axis wind turbines (VAWT) in specific arrangements are able to manipulate each other’s wakes to produce more power than two separate VAWTs placed further apart. This creates a potential for higher power density from VAWTs, meaning more electrical power can be harnessed from smaller areas both onshore and offshore. This thesis aimed to identify such paired arrangements and assess the power output of each configuration. A straight-bladed VAWT model with three DU 06-W-200 airfoils was built with compute-raided design, and different configurations were simulated using two- and three-dimensional computational fluid dynamics (CFD). A turbulent, segregated flow regime was assumed, and Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) was employed with the k-ω SST turbulence model. Simulations were run using the Simcenter Star-CCM+ software. 25 unique configurations were investigated using 2D CFD, and 4 unique cases were extended to 3D CFD based on the results from 2D CFD. A total of approximately 150 000 CPU hours were used across all simulations. 2D CFD was used to assess the impact of rotational direction, relative phase angle between VAWTs, and the relative turbine placement, finding nearly all configurations to produce a higher power output than two stand-alone VAWTs. Furthermore, 2D CFD calculated large performance increases of the VAWT pairs, exceeding a 15% increase in performance. The highest performance with 2D CFD was found to be with a turbine spacing of 1,25 turbine diameters. It was also concluded that the rotational direction and the relative phase angle had an insignificant impact on the VAWT pair’s performance. An increased performance of a VAWT pair compared to two stand-alone VAWTs was found for all 3D CFD cases, with a maximum increase of under 4%. Conversely, the highest performance with 3D CFD was found to be with a turbine spacing of 2 turbine diameters. Additionally, the results from 3D CFD were found to be in close agreement with experimental data from the literature